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CN109035164B - 一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统 - Google Patents

一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统 Download PDF

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CN109035164B CN201810770994.3A CN201810770994A CN109035164B CN 109035164 B CN109035164 B CN 109035164B CN 201810770994 A CN201810770994 A CN 201810770994A CN 109035164 B CN109035164 B CN 109035164B
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Abstract

一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统，采用当前像素周围像素求均值的方法获取背景杂光图像,复杂度低；同时直接用数学分解的过程计算背景杂光图像，计算过程简单，适于嵌入式平台的运行；在高频处理(50Hz)的要求下，采用简化的求取图像低频信息的方法，每个像素的低频信息通过周围像素值加权得到；这样准确获取到了图像的低频信息，即背景杂光图像，便于后续求高频星点信息；整个计算过程在程序中，只需要加减和移位操作，便于嵌入式平台的实现。

Description

一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统，属于卫星姿态控制领域。
背景技术
星敏感器在轨工作中，易受卫星本体、太阳能帆板等反射太阳光造成的杂光干扰。恒星陀螺敏感器所拍摄原始星图受杂光干扰后，会形成杂光干扰图。杂光干扰图中灰度波动较大，无法用现有阈值法提取出星点，进而无法完成星点识别及姿态计算。因此有必要针对杂光环境下的星图(杂光干扰图)进行处理，去掉杂光干扰。
高频星敏感器要求达到100Hz处理要求，算法运行平台为嵌入式芯片，这样要求杂光抑制算法的复杂度低、精度高。这点成为高频星敏感器杂光抑制算法的难点。
余路伟等2016年的专利《一种星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法》，提供一种星敏感器的抗杂光干扰图像处理方法，首先在设定的局部范围内预测当前中心目标点背景，并构成背景图像，然后利用背景图像，对原始星图进行滤波处理，得到滤波图像，最后对滤波图像做阈值分割，去除盐噪声，得到目标图像。
魏新国2016年在专利《杂光干扰下星敏感器星点提取方法》中，首先对星图进行滤波处理，得到滤波处理后的像素点的灰度值，而后根据滤波处理后的像素点的灰度值计算像素点的相对梯度值，根据像素点的相对梯度值确定出候选星点像素和背景像素，最后从所述候选星点像素中确定出星点像素。
杨君2015年在专利《一种星敏感器行像元噪声自适应滤除方法》中提出了一种星敏感器行像元噪声自适应滤除方法，首先确定初始滤波背景估值修改量并写入星敏感器中，在星敏感器FPGA内部设计乒乓SRAM用于缓存图像行，然后星敏感器对获得的在轨图像进行自适应滤波处理，并根据内部图像存储SRAM统计占用率，自适应设置下限寄存器Ndown和上限寄存器Nup的值，最后利用内存回退技术进行噪声像元自适应滤波，直至所有图像均处理完毕。
王广君2005年在论文《一种星图识别的星体图像高精度内插算法》中将星光成像看成是高斯点扩散函数模型,利用线性内插和最小二乘法方法,拟合得到高斯曲面参数。从高斯曲面模型中得到亚像素级的恒星位置和恒星星等。
2016年在论文《星敏感器抗杂光背景滤波图像处理方法研究》中提出了一种称为背景滤波的全帧型星图处理算法,根据星点和背景不同特征,对背景估计法进行了改进,设定模板尺寸为7×7像素,用模板边缘像素的均值作为中心点的背景估值,将目标点本身引入背景估计,增加目标点权重以抑制背景的残留，定一较小的固定阈值以分割星点与虚警点。
上述现有技术的复杂度较高，在基于嵌入式平台的算法处理且需要高频输出情况时，实时性差，无法满足应用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法及系统，采用求图像中低频内容的方法求取杂光图像，计算精度高、复杂度低、灵敏度高、实时性好，且具有自适应加权能力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，包括如如下步骤：
步骤一、将图像从左到右作为x轴，将图像从上到下作为y轴，xy坐标系的原点为图像的左上角；遍历图像的每个像素，所述图像在x轴的坐标范围为1到xmax，在y轴的坐标范围为1到ymax；
步骤二、对x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素进行处理；m为第一中间变量，m的取值范围为6～20；当被处理的像素的(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)、灰度值为Gc时，查找获得坐标为(xc，yc+m)的像素的灰度值为Gy1，查找获得坐标为(xc，yc-m)的像素的灰度值为Gy2，计算被处理的像素的y轴间隔值yt：
Figure BDA0001730252130000031
若y轴的坐标(yc+(m+yt))大于y轴的最大像素坐标ymax，或，y轴的坐标(yc-(m+yt))小于y轴的最小像素坐标1，则令yt的值为0；
查找获得坐标为(xc-m，yc)的像素的灰度值为Gx1，查找获得坐标为(xc+m，yc)的像素的灰度值为Gx2，计算被处理的像素的x轴间隔值xt：
Figure BDA0001730252130000032
若x轴的坐标(xc+(m+xt))大于x轴的最大像素坐标xmax，或，x轴的坐标(xc-(m+xt))小于x轴的最小像素坐标1，则令xt的值为0；然后转入步骤三；
步骤三、采用加权平均的方法计算(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz，然后计算坐标为(xc，yc)的像素消除杂光后的像素值Gr：
Gr＝Gc-Gz；
步骤四、x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素全部获得消除杂光后的像素值后，得到消除杂光后的图像。
上述快速鲁棒图像杂光抑制的方法，所述步骤三中采用加权平均的方法计算(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz的方法为：
Gz＝坐标(xc,yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc,yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc-(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc+(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc-(m+yt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+yt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+xt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×d+
坐标(xc-(m+xt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×d；
式中
Figure BDA0001730252130000041
Figure BDA0001730252130000042
Figure BDA0001730252130000043
Figure BDA0001730252130000044
Figure BDA0001730252130000045
Figure BDA0001730252130000046
Figure BDA0001730252130000047
其中，a为第一参数，b为第二参数，c为第三参数，d为第四参数，e为第二中间变量。
上述快速鲁棒图像杂光抑制的方法，所述图像为杂光干扰图像。
上述快速鲁棒图像杂光抑制的方法，所述图像为恒星陀螺敏感器拍摄的杂光干扰图像。
上述快速鲁棒图像杂光抑制的方法，所述快速鲁棒图像杂光抑制的方法的灵敏度能提取到10等星。
一种快速鲁棒图像杂光抑制系统，采用权利要求1～5之一所述的快速鲁棒图像杂光抑制的方法。
上述快速鲁棒图像杂光抑制系统，所述快速鲁棒图像杂光抑制系统对杂光进行抑制的计算频率不小于50Hz。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明采用求图像中低频内容的方法求取杂光图像，精度高；因为受杂光干扰图像中即包含杂光也包含星点，星点的图像内容表现特征为高频，杂光的图像内容表现特征为低频；求取出低频图像，受杂光干扰图像减去低频图像后即剩下高频图像，也就是星点信息；由于只将杂光去除掉，不影响星点本身的能量分布，对质心精度影响低；
(2)本发明采用当前像素周围像素求均值的方法获取背景杂光图像,复杂度低；本发明直接用数学分解的过程计算背景杂光图像，计算过程简单，适于嵌入式平台的运行；在高频处理(50Hz)的要求下，采用简化的求取图像低频信息的方法，每个像素的低频信息通过周围像素值加权得到；这样准确获取到了图像的低频信息，即背景杂光图像，便于后续求高频星点信息；整个计算过程在程序中，只需要加减和移位操作，便于嵌入式平台的实现；
(3)本发明根据图像梯度变化情况，采用周围像素自适应分配系数的方法，即对系数a、b、c、d的取值大小自动分配权重，得到优质的背景杂光图像；
(4)本发明方法的灵敏度高，对于弱等星，该算法可保证正常完成星点提取功能；
(5)本发明方法能够全天候运行；在有无杂光的情况下，算法均可照常运行。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
星敏感器在轨工作中，易受卫星本体、太阳能帆板等反射太阳光造成的杂光干扰。恒星陀螺敏感器所拍摄原始星图受杂光干扰后，会形成杂光干扰图。因为受杂光干扰图像中即包含杂光也包含星点，星点的图像内容表现特征为高频，杂光的图像内容表现特征为低频。一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，其原理是求取出低频图像，受杂光干扰图像减去低频图像后即剩下高频图像，也就是星点信息。由于只将杂光去除掉，不影响星点本身的能量分布，对质心精度影响低。
一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，如图1所示，包括如如下步骤：
步骤101、将图像从左到右作为x轴，将图像从上到下作为y轴，xy坐标系的原点(1，1)为图像的左上角；遍历图像的每个像素，所述图像在x轴的坐标范围为1到xmax，在y轴的坐标范围为1到ymax。
步骤102、对x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素进行处理；m为第一中间变量，m的取值范围为6～20；本实施例中m取值为8；当被处理的像素的(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)、灰度值为Gc时，查找获得坐标为(xc，yc+m)的像素的灰度值为Gy1，查找获得坐标为(xc，yc-m)的像素的灰度值为Gy2，计算被处理的像素的y轴间隔值yt：
Figure BDA0001730252130000061
若y轴的坐标(yc+(m+yt))大于y轴的最大像素坐标ymax，或，y轴的坐标(yc-(m+yt))小于y轴的最小像素坐标1，则令yt的值为0；
查找获得坐标为(xc-m，yc)的像素的灰度值为Gx1，查找获得坐标为(xc+m，yc)的像素的灰度值为Gx2，计算被处理的像素的x轴间隔值xt：
Figure BDA0001730252130000062
若x轴的坐标(xc+(m+xt))大于x轴的最大像素坐标xmax，或，x轴的坐标(xc-(m+xt))小于x轴的最小像素坐标1，则令xt的值为0；然后转入步骤103。
步骤103、采用加权平均的方法计算(x轴坐标,y轴坐标)坐标为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz，
Gz＝坐标(xc,yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc,yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc-(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc+(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc-(m+yt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+yt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+xt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×d+
坐标(xc-(m+xt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×d；
式中
Figure BDA0001730252130000071
Figure BDA0001730252130000072
Figure BDA0001730252130000073
Figure BDA0001730252130000074
Figure BDA0001730252130000075
Figure BDA0001730252130000076
Figure BDA0001730252130000077
其中，a为第一参数，b为第二参数，c为第三参数，d为第四参数，e为第二中间变量。即坐标为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz是采用当前坐标相邻的上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八个坐标的像素的灰度值分别乘以系数获得的。
然后计算坐标为(xc，yc)的像素消除杂光后的像素值Gr：
Gr＝Gc-Gz；
步骤104、x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素全部获得消除杂光后的像素值后，得到消除杂光后的图像。
本发明快速鲁棒图像杂光抑制方法的图像为恒星陀螺敏感器拍摄的杂光干扰图像；本方法的灵敏度可以达到对10等星的提取。本发明方法直接用数学分解的过程计算背景杂光图像，计算过程简单，适于嵌入式平台的运行。在高频处理(50Hz)的要求下，采用简化的求取图像低频信息的方法，每个像素的低频信息通过周围像素值加权得到。这样准确获取到了图像的低频信息，即背景杂光图像。整个计算过程在程序中，只需要加减和移位操作，便于嵌入式平台的实现。同时本发明中根据图像梯度变化情况，对a、b、c、d的取值大小自动分配权重，得到优质的背景杂光图像。
一种快速鲁棒图像杂光抑制系统，该系统采用快速鲁棒图像杂光抑制方法实现，对杂光进行抑制的计算频率不小于50Hz。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、将图像从左到右作为x轴，将图像从上到下作为y轴，xy坐标系的原点为图像的左上角；遍历图像的每个像素，所述图像在x轴的坐标范围为1到xmax，在y轴的坐标范围为1到ymax；
步骤二、对x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素进行处理；m为第一中间变量，m的取值范围为6～20；当被处理的像素的(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)、灰度值为Gc时，查找获得坐标为(xc，yc+m)的像素的灰度值为Gy1，查找获得坐标为(xc，yc-m)的像素的灰度值为Gy2，计算被处理的像素的y轴间隔值yt：
Figure FDA0003404373610000011
若y轴的坐标(yc+(m+yt))大于y轴的最大像素坐标ymax，或，y轴的坐标(yc-(m+yt))小于y轴的最小像素坐标1，则令yt的值为0；
查找获得坐标为(xc-m，yc)的像素的灰度值为Gx1，查找获得坐标为(xc+m，yc)的像素的灰度值为Gx2，计算被处理的像素的x轴间隔值xt：
Figure FDA0003404373610000012
若x轴的坐标(xc+(m+xt))大于x轴的最大像素坐标xmax，或，x轴的坐标(xc-(m+xt))小于x轴的最小像素坐标1，则令xt的值为0；然后转入步骤三；
步骤三、采用加权平均的方法计算(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz，然后计算坐标为(xc，yc)的像素消除杂光后的像素值Gr：
Gr＝Gc-Gz；
步骤四、x轴坐标为(m+4)到(xmax-(m+4))、y轴坐标为(m+4)到(ymax-(m+4))的像素全部获得消除杂光后的像素值后，得到消除杂光后的图像；
所述步骤三中采用加权平均的方法计算(x轴坐标,y轴坐标)为(xc，yc)的像素的杂光干扰灰度值Gz的方法为：
Gz＝坐标(xc,yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc,yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×a+
坐标(xc-(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc+(m+xt),yc)对应的像素的灰度值×b+
坐标(xc-(m+yt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+yt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×c+
坐标(xc+(m+xt),yc+(m+yt))对应的像素的灰度值×d+
坐标(xc-(m+xt),yc-(m+yt))对应的像素的灰度值×d；
式中
Figure FDA0003404373610000021
Figure FDA0003404373610000022
Figure FDA0003404373610000023
Figure FDA0003404373610000024
Figure FDA0003404373610000025
Figure FDA0003404373610000026
Figure FDA0003404373610000027
其中，a为第一参数，b为第二参数，c为第三参数，d为第四参数，e为第二中间变量。
2.根据权利要求1所述的一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，其特征在于：所述图像为杂光干扰图像。
3.根据权利要求1所述的一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，其特征在于：所述图像为恒星陀螺敏感器拍摄的杂光干扰图像。
4.根据权利要求1所述的一种快速鲁棒图像杂光抑制的方法，其特征在于：所述快速鲁棒图像杂光抑制的方法的灵敏度能提取到10等星。
5.一种快速鲁棒图像杂光抑制系统，其特征在于：采用权利要求1 ～ 4 之一所述的快速鲁棒图像杂光抑制的方法。
6.根据权利要求5所述的一种快速鲁棒图像杂光抑制系统，其特征在于：所述快速鲁棒图像杂光抑制系统对杂光进行抑制的计算频率不小于50Hz。
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空间光学敏感器技术进展与应用;郝云彩等;《空间控制技术与应用》;20170815;第43卷(第4期);9-18 *

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